Отражательные антенные решетки являются удобной заменой традиционно используемых в спутниковой связи зеркальных антенн. В статье рассмотрены субволновые элементы отражательных антенных решеток с расширенной полосой рабочих частот.
Ключевые слова: отражательная антенная решетка, ячейка Флоке, единичный элемент, спутниковая связь, бесконечная периодическая структура.
Reflectarrays are convenient replacement of traditionally used in satellite communications reflector antennas. The article deals with the sub-wave reflectarray elements with an extended frequency band.
Keywords: reflectarray, Floquet cell, unit cell, satellite communications, infinite periodic structure.
Введение. Отражательные антенные решетки (ОАР) известны с 60х годов [1]. Первые макеты были основаны на волноводных элементах и в связи с этим имели большие габариты и вес. Из-за конструктивных недостатков такие антенны не получили широкого распространения. В середине 90х годов в литературе были представлены ОАР на основе микрополосковых печатных элементов. Использование печатных элементов в отражательных антенных решетках позволило значительно уменьшить массу и профиль антенны, а также уменьшить стоимость производства. По сравнению с микрополосковыми антеннами с интегрированной схемой питания ОАР имели более высокую эффективность из-за отсутствия потерь в линиях питания. Отражательные антенные решетки (ОАР) также имеют ряд преимуществ над зеркальными антеннами, такие как низкая стоимость, легкость, простата установки, большой коэффициент усиления, плоскостность. Еще одно преимущество связано с использованием антенн с большими апертурами в условиях космического пространства, где необходим механизм развертывания антенны. Также, благодаря плоской форме ОАР, она может быть установлена на имеющуюся плоскую структуру без значительного увеличения габаритов и веса общей системы. Другой важной особенностью данного типа антенн является возможность формирования диаграмм направленности специальной формы, а также точных контурных диаграмм для функционирования в составе спутников связи [2]. Несмотря на все вышеупомянутые возможности, ОАР имеют явный недостаток — относительно узкая рабочая полоса частот, которая, как правило, не превышает 10 процентов, в зависимости от конфигурации элемента, размера апертуры, фокусного расстояния. Ширина полосы рабочих частот ОАР не соответствует ширине полосы параболического рефлектора, где она теоретически бесконечна. Полоса рабочих частот микрополосковой ОАР, прежде всего, ограничена полосой рабочих частот резонансного микрополоскового элемента.
В данной работе будет рассмотрен нерезонансный субволновый микроплосковый элемент меандровой формы способный функционировать в более широкой полосе частот, чем резонансные аналоги.
Моделирование. Расчет элемента производился в системе автоматизированного проектирования (САПР) Microwave CST Studio методом ячейки Флоке, которая имитирует расчет бесконечной периодической структуры, состоящей из идентичных элементов, при расчете только одного элемента [3]. Такой подход позволяет получить максимально достоверные характеристики элемента для использования в составе ОАР, так как учитывается взаимное влияние элементов.
Конфигурация предлагаемой ячейки отражательного элемента состоит из двух металлизированных поверхностей, разделенных фигурой меандра, как показано на рис. 1. Как видно из рис. 1, ячейка представляет собой трехслойную структуру, состоящую из экрана и микрополоскового элемента на расстоянии H друг от друга. Расстояние H соответствует толщине диэлектрика. Размеры ячейки выбраны 
.
Рис. 1. Элементарная ячейка ОАР: a — эскиз; a — САПР модель
Для исследования потенциальных возможностей изменения фазы элемента размер ячейки выбран равным X=6 мм (≈0,2λ). Электродинамический расчет производился в Ku-диапазоне частот. Основной рассчитываемый параметр — фаза отраженной волны в зависимости от изменения геометрического размера элемента. На рис. 2 а показана расчетная зависимость фазы отраженной волны от изменения параметра W для различных значений амплитуды меандра А, при толщине диэлектрика H=1мм и диэлектрической проницаемости ε=1,05, что соответствует вспененному полиэтилену. Из графика видно, что максимальный диапазон изменения фазы наблюдается при амплитуде меандра равной 3 мм и составляет 290 градусов.
На рис. 2 б представлены зависимости фазы отраженной волны от параметра W для различных частот Ku-диапазона. Как видно из графика, регулировка фазы осуществляется в диапазоне частот как минимум 20 %, однако фазы отраженной волны для различных частот не идентичны, что приведет фазовым ошибкам при отходе от центральной частоты. Максимальная фазовая ошибка не превышает 80°.
Рис. 2. Зависимость фазы отраженной волны от параметра W: a — для различных амплитуд меандра A; б — для различных частот
В представленном элементе регулировка фазы может осуществляться не только варьированием ширины меандровой структуры W но и изменением ее амплитуды A. На рис.3 представлены зависимости фазы отраженной волны от изменения амплитуды при фиксированном значении W=0.5 мм.
Рис. 3. а — Зависимость фазы отраженной волны от параметра A; б — иллюстрация смыкания меандра
Диапазон плавной регулировки фазы составил около 280° для всех рассматриваемых частот. При дальнейшем увеличении амплитуды меандра происходит смыкание меандра с соседним (рис. 3 б), что приводит к скачкообразному изменению фазы отраженной волны, которая достигает — 360°. Такое свойство меандровой структуры может быть использовано для реализации ОАР с действительной временной задержкой. Максимальная фазовая ошибка в рассматриваемом частотном диапазоне осталась равной 80°, однако среднее значение не превышает 45°.
Заключение. Вработе рассмотрен субволновый элемент ОАР меандровой формы. Элемент продемонстрировал способность регулировки фазы в диапазоне частот не менее 20 %. Наиболее предпочтительна регулировка фазы изменением амплитуды меандра с точки зрения минимизации фазовых ошибок в полосе частот и точности производства.
Литература:
- Huang J., Encinar J. A., Reflectarray antennas. IEEE Press 2007. 232 pp.
- Обуховец В. А., Касьянов А. О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование. М.: Радиотехника, 2006. 240с.
- Feng-Chi E. Tsai, Bialkowski M. E. Designing a 161-element ku-Band microstrip reflectarray of variable size patches using an equivalent unit cell waveguide approach // IEEE transactions on antennas and propagation. 2003. Vol. 51, No. 10, P. 2953–2962.
